SK284262B6 - Elektrické rotačné zariadenie - Google Patents

Abstract

Elektrické rotačné zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú a naopak sa všeobecne skladá z dvojčlenného statora (2), ktorého vonkajší člen (3) je tvorený plášťom (27) statora s krytom (28) a súborom elektrických vinutí (23) použiteľných pre alternátor s vývodmi (231) vyvedenými k usmerňovaču alebo súborom elektrických vinutí (24, 25, 26) použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnené na vnútornom obvode plášťa (27) statora a ktoré majú i oddelené elektrické vývody (241), (251), (261), pričom vnútorný člen (4) dvojčlenného statora (2) je tvorený valcom s vinutím a ďalej z dutého valcového rotora (1), ktorý je vytvorený dvoma sústavami segmentov (11 a 12) z magnetického materiálu a je otočne usporiadaný vo vnútri vonkajšieho člena (3) a súosovo voči nemu, pričom vnútorný člen (4) statora (2) je usporiadaný v dutine valca rotora (1), a ktorý má plášť rotora (1) v tvare valca pozostávajúceho z prvej sústavy segmentov (11) a druhej sústavy segmentov (12), pričom obidve sústavy sú zhotovené z rovnakého počtu segmentov z magnetického materiálu, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené a sú medzi sebou spojené prostredníctvom magneticky izolačnej vrstvy (13), zhotovenej z nemagnetického materiálu, pričom prvá sústava segmentov (11) je ďalej pevne spojená s podstavou valca rotora (1) zhotovenou z magnetického materiálu, v ktorej osi rotácie je upevnený hriadeľ (14) zatiaľ čo druhú podstavu valca rotora (1) tvorí príruba (121) zhotovená z magnetického materiálu, pričom plášť (27) statora (2) je vybavený najmenej jedným krytom (28).ŕ

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka elektrického rotačného zariadenia na premenu mechanickej energie na elektrickú alebo naopak, ktoré vo všeobecnosti pozostáva z dvojčlenného statora, ktorého vonkajší člen je tvorený plášťom statora a súborom párneho počtu elektrických vinutí použiteľných pre alternátor s vývodmi vyvedenými k usmerňovaču, alebo súborom nepárneho počtu elektrických vinutí použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnené na vnútornom obvode plášťa statora, a ktoré majú aj oddelené elektrické vývody, ďalej vnútorným členom statora s vinutím elektromagnetom a ďalej z dutého valcového rotora, ktorý je tvorený dvoma sústavami segmentov z magnetického materiálu rozmiestenými na plášti dutého valca a je otočné usporiadaný vnútri vonkajšieho člena a súosovo proti nemu, pričom vnútorný člen statora vybavený vinutím je usporiadaný v dutine valca rotor.

Doterajší stav techniky

Stroj, ktorý mení mechanickú energiu na elektrickú, sa nazýva elektrický stroj točivý. Všeobecný fyzikálny princíp, na základe ktorého takýto stroj pracuje, je elektromagnetická indukcia. Doteraz známe konštrukcie elektrických rotačných zariadení (t. j. elektrických strojov točivých), či už generátorov, alternátorov alebo dynám či elektromotorov na jednosmerný alebo striedavý prúd, sú väčšinou konštruované tak, že rotor takýchto strojov sa skladá z elektromagnetu, do ktorého je privádzaný elektrický prúd cez trecie kontakty zberného zariadenia tvoreného uhlíkmi a zbernými krúžkami rotora, ktoré sú v trvalom trecom kontakte. Nevýhodou týchto strojov je, že trecie kontakty zberného zariadenia spôsobujú straty v dôsledku mechanického trenia. Vplyvom trenia uhlíkov o zberné krúžky rotora dochádza k opotrebovaniu uhlíkov i krúžkov rotora. Navyše pri trení vznikajú nežiaduce prachové častice. Následkom tohto je častá výmena uhlíkov a opravy zberných krúžkov rotora, čo limituje spravidla vlastnosti a životnosť celého stroja. Statory elektromotorov majú zas nevýhodu v tom, že dostatočne nezabezpečujú rozbiehanie a zastavenie motora v rovnakej polohe. Ďalej nedostatočne spĺňajú požiadavku veľmi presného počtu otáčok rotora a takto konštruovanými elektrickými strojmi točivými nie je prakticky možné dosiahnuť synchronizáciu otáčok rotorov niekoľkých elektromotorov súčasne.

Z US patentu č. 4 982 128 je známe nové riešenie statora alternátora, ktorý pozostáva z plášťa statora v tvare valcového puzdra, v ktorom je usporiadané vonkajšie jadro z mäkkého železa. Toto jadro je tvorené sústavou zubov, ktoré smerujú radiálne do stredu plášťa. Každý zo zubov vonkajšieho jadra je ovinutý vodičom v tvare cievky, pričom cievky sú zapojené do hromady a sú pripojené najmenej k jednému elektrickému vodiču, ktorý je vyvedený von z plášťa a je upravený tak, aby viedol elektrický prúd. Ďalej z dutého valcového rotora, ktorý je vytvorený z magnetov a je otáčavo usporiadaný radiálne vnútri vonkajšieho jadra a súosovo proti nemu. Rotor tvorí množstvo magnetov rotora. Každý z magnetov rotora má jeden pól radiálne smerovaný von, kým jeho opačný je radiálne smerovaný dovnútra. Magnety sú usporiadané tak, aby sa magnetické polia smerované zvonku a zvnútra okolo rotora striedali. Ďalej z vnútorného jadra, ktoré je vytvorené z mäkkého železa, aje usporiadané v dutine rotora a je vybavené množstvom zubov, ktoré smerujú radiálne smerom von, pričom každý zo zubov vnútorného jadra je ovinutý vodičom v tvare cievky, pričom cievky sú zapojené dohromady a sú pripojené najmenej k jednému elektrickému vodiču, ktorý je vedený von z vnútorného jadra aje upravený tak, aby viedol elektrický prúd. K rotoru je ďalej pripojená remenica, aby otáčala rotorom s magnetmi usporiadanými medzi vonkajším a vnútorným jadrom. Magnety v tomto usporiadaní sú výhodne vyrobené ako elektromagnety a sú elektricky pripojené k páru zberných krúžkov, ktoré sú namontované na jednom z koncov rotora. Pritom pár uhlíkových kefiek namontovaných na plášti je elektricky prepojený so zbernými krúžkami tak, aby viedli jednosmerný prúd k elektromagnetom.

Taktiež sú známe konštrukcie indukčných elektromotorov bez trecích kontaktov s kotvou na krátko, ktorých nevýhodou je veľká hmotnosť a rozmery v porovnaní s výkonom. Nevýhodou je aj vysoká poruchovosť pri preťažení a obmedzené využitie v prenosných elektrických zariadeniach.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značnej miery odstraňuje elektrické rotačné zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú alebo naopak, ktoré sa vo všeobecnosti skladá z dvojčlenného statora, ktorého vonkajší člen je tvorený plášťom statora a súborom párneho počtu elektrických vinutí použiteľných pre alternátor s vývodmi vyvedenými k usmerňovaču, alebo súborom nepárneho počtu oddelených elektrických vinutí použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnené na vnútornom obvode plášťa statora, a ktoré majú aj oddelené elektrické vývody, pričom vnútorný člen (4) dvojčlenného statora (2) je tvorený valcom s vinutím a ďalej dutého valcového rotora (1), ktorý je tvorený dvoma sústavami segmentov z magnetického materiálu rozmiestnenými na plášti dutého valca a je otočné usporiadaný vnútri vonkajšieho člena statora a súosovo proti nemu, pričom vnútorný člen statora je usporiadaný v dutine valca rotora, ktorého podstata spočíva v tom, že plášť rotora tvorí valec pozostávajúci z prvej sústavy segmentov a druhej sústavy segmentov, pričom obe sústavy sú zhotovené z rovnakého počtu segmentov obdĺžnikového tvaru zubov, z magnetického materiálu, napr. mäkkého železa, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené a sú medzi sebou spojené prostredníctvom magneticky izolačnej vrstvy, zhotovenej z nemagnetického materiálu, pričom prvá sústava segmentov je ďalej pevne spojená s podstavou valca rotora, v ktorej osi rotácie je upevnený hriadeľ, zatiaľ čo druhú podstavu valca rotora tvorí príruba, pričom plášť statora je vybavený najmenej jedným krytom.

Oddelené elektrické vývody nepárneho počtu vinutí vonkajšej časti statora elektromotora sú výhodne pripojené k externým výkonovým elektrickým prepínačom smeru elektrického prúdu v jednotlivých vinutiach vonkajšieho člena statora, ovládané magnetickým poľom vhodného magnetického riadiaceho systému umiestneného na hriadeli rotora a vonkajšom člene statora, ktoré prostredníctvom vhodnej elektroniky reguluje otáčky rotora elektromotora.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie ozrejmený pomocou výkresu, na ktorom znázorňuje obr. 1 - sústavu hlavných súčiastok elektromotora v rozloženom stave, obr. 2 - sústavu hlavných súčiastok alternátora v rozloženom stave, obr. 3 - sústavu lamelových segmentov rotora v rozloženom stave, obr. 4 - čiastkovú zostavu rozloženého stavu konštrukcie rotora s vnútorným členom statora -elektromagnetom, obr. 5 - rozloženú sústavu rotora a vnútorného člena statora - elektromagnetu a statora s vinutiami pre alternátor, obr. 6 - rozloženú sústavu rotora s umiestneným vnútorným členom statora - elektromagnetom a statora s oddelenými vinutiami pre elektromotor i s umiestneným magnetickým riadiacim systémom.

obr. 7 - znázorňuje blokovú schému elektronického riadiaceho systému otáčok elektromotora a jeho pripojenie k oddeleným vinutiam vonkajšieho člena elektromotora , statora.

obr. 8a - magnetický riadiaci systém, obr. 8b- silové pôsobenie magnetických statorových pólov na magnetické rotorové póly v elektromotore, obr. 9 - sily pôsobiace na rotor elektromotora pri jednom rotačnom cykle.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Princíp elektrického zariadenia v zmysle tohto vynálezu bude ďalej objasnený, nie však obmedzený, nasledujúcimi príkladmi.

Príklad 1

Elektrický stroj rotačný, t. j. alternátor určený na premenu mechanickej energie na elektrickú je znázornený na obr. 2, obr. 3, obr. 4, obr. 5 a obr. 7. Hlavnými časťami alternátora sú dvojčlenný stator 2 a rotor 1 v tvare dutého valca. Rotor 1 je usporiadaný medzi vonkajším a vnútorným členom statora 2. Plášť rotora 1 tvorí valec pozostávajúci z prvej sústavy segmentov 11a druhej sústavy segmentov 12, pričom obe sústavy sú zhotovené z dvoch segmentov obdĺžnikového tvaru, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené. Prvá a druhá sústava segmentov 11 a 12 je zhotovená z magnetického materiálu a je medzi sebou spojená prostredníctvom magneticky izolačnej vrstvy 13 zhotovenej z nemagnetického materiálu, napr. z hliníka. Prvá sústava segmentov 11 je ďalej pevne spojená s podstavou valca rotora 1 zhotovenou z magnetického materiálu, v osi jej rotácie je upevnený hriadeľ 14. Druhú podstavu valca rotora 1 tvorí príruba 121 zhotovená z magnetického materiálu. Táto je pripevnená k prstencu druhej sústavy segmentov 12 prostredníctvom skrutiek. V osi rotácie príruby 121 je usporiadaný rotačný prechodový prvok 16, ktorým môže byť výhodne guľôčkové ložisko. Prvá a druhá podstava plášťa rotora 1 sú taktiež zhotovené z magnetického materiálu. Na hriadeli 14 je napevno umiestnený hnací kotúč 17 na pripojenie rotačného externého mechanizmu, (na výkrese nie je znázornené). Vnútri plášťa rotora 1 je súosovo usporiadaný vnútorný člen statora 2, ktorým je elektromagnet 21 valcového tvaru. Jeho elektrické prívody 211 sú vedené od zdroja napájania (na obr. nie je naznačený) cez dutý hriadeľ 22, ktorý je prepojený s rotorom 1 prostredníctvom rotačného prechodového prvku 16, výhodne guľôčkovým ložiskom. V tomto konštrukčnom usporiadaní je elektromagnet 21 vnútorným členom dvojčlenného statora 2, zatiaľ čo vonkajší člen statora 2 sa skladá zo súboru elektrických vinutí 23 alternátora. Tieto sú zložené so vzájomne prepojených cievok s jadrami a sú umiestnené na vnútornom obvode plášťa 27 statora 2. Elektrické vývody 231 elektrického vinutia 23 alternátora sú vyvedené k usmerňovaču (na obr. nie je znázornený). Vonkajší člen a vnútorný člen statora 2 sú vzájomne pevne spojené pri skrutkovanim krytu 28 plášťa statora 2, pričom spoj je uskutočnený maticou 221 a závitom vytvoreným na konci dutého hriadeľa 22.

Činnosť alternátora je iniciovaná pripojením jednosmerného napätia akumulátora cez elektrické prívody 211 do cievky elektromagnetu 21 vnútorného člena dvojčlenného statora 2, čím sa vytvorí magnetické pole. Toto je vhodne regulované zmenou jednosmerného napätia akumulátora. Keďže sa rotor 1 nachádza v tomto magnetickom poli, dochádza k zmagnetizovaniu prvej sústavy segmentov 11 na južné magnetické póly Jl, J2 a druhej sústavy segmentov 12 na severné magnetické póly SI, S2 alebo opačne. Mechanická energia privedená cez hnací kotúč 17 roztočí rotor 1 a jeho striedavo rozložené magnetické póly Jl, SI, J2, S2 pohybom popri jadrách I elektrických vinutí 23 alternátora v nich indukujú elektromotorické napätie. Takto vyrobená elektrická energia sa z dvojčlenného statora 2 odoberá cez elektrické vývody 231, vhodne sa usmerní externým usmerňovačom aje pripravená na využitie.

Príklad 2

Elektrický stroj točivý, t. j. elektromotor, určený na premenu elektrickej energie na mechanickú, je znázornený na obr. 1, obr. 6, obr. 8, obr. 9. Hlavnými časťami elektromotora sú rotor 1 (s naznačenou šípkou rotácie) a dvojčlenný stator 2, ktoré sú zhodné s rotorom a statorom opísanými v príklade 1. Na rozdiel od príkladu 1 vonkajší člen statora 2 nie je zložený zo súboru elektrických vinutí 23, ako pri alternátore, ale zo súboru troch oddelených elektrických vinutí 24, 25, 26 elektromotora, ktoré majú aj oddelené elektrické vývody 241, 251, 261, pripojené na externé výkonové elektronické prepínače 30 polarity magnetických statorových pólov A, B, C, ovládané bezkontaktnými spínačmi 292, 293, 294. Na plnom hriadeli 14 rotora je taktiež umiestnený magnetický riadiaci systém 15 tvorený bezkontaktnými spínačmi 292, 293, 294 usporiadanými symetricky na vnútornej strane prstencového držiaka 291 upevneného v ľavom kryte 28 elektromotora. Tieto spínače 292, 293, 294 voľne zapadajú do medzery medzi dve smerovo zhodne orientované a magneticky opačne pólované magnetické krídelkové lamely 142. Páry magnetických krídelkových lamiel 142 sú zhotovené z magnetického materiálu a upevnené na protiľahlých stranách nemagnetického puzdra 141 v kolmom smere proti plnému hriadeľu 14. Nemagnetické puzdro je nasunuté na pevný hriadeľ 14 rotora 1. Tento hriadeľ je upevnený v rotačnom prechodovom prvku 16 výhodne guľôčkovom ložisku, ktoré je usporiadané v ľavom kryte 28.

Sústava elektromotora je doplnená o prepínač smeru otáčok 33, regulátor otáčok 32 a o výkonové elektrické prepínače 30 elektrickej polarity elektrických vinutí 24, 25, 26 elektromotora a tým aj magnetickej polarity magnetických statorových pólov A, B, C elektromotora. Ako zdroj elektrickej energie sú použité zdroje napätia Zl, Z2, Z3, Z4 a stabilizovaný zdroj 31.

Činnosť elektromotora sa iniciuje zmagnetizovaním prvej sústavy segmentov 11 a druhej sústavy segmentov 12 tak isto, ako je uvedené v príklade 1 na magnetické póly Jl, J2, SI, S2. Bezkontaktné spínače 292, 293, 294 reagujú na prítomnosť magnetického poľa tak, že na ich výstupoch vytvárajú buď logickú nulu - bez impulzu, alebo logickú jednotku - impulz s dĺžkou závislou od šírky magnetických krídelkových lamiel 142 a sú vyvedené do výkonových elektrických prepínačov 30, ktoré prepínajú budiaci prúd v elektrických vinutiach 24, 25, 26 elektromotora takým spôsobom, že magnetické statorové póly A, B, C pôsobia odpudivými magnetickými silami (na obr. 8 a 9 sú znázornené prerušovanými šípkami) a príťažlivými magnetickými silami (na obr. 8 a 9 sú znázornené plnými šípkami) na magnetické rotorové póly Jl, J2, SI, S2 v každej polohe rotora 1 s rovnako orientovanými krútiacimi momentmi síl pôsobiacimi na rotor 1. K prepólovaniu magnetických statorových pólov A, B, C dochádza v polohe X (označená na obr. 8 a 9). Šesť polôh rotora 1, ktoré tvoria v tomto prípade jeden cyklus, je znázornených v šiestich pozíciách (pozri obr. 9), pričom prepólovanie magnetických statorových pólov A, B, C nastane vždy v momente, keď sa jeho stred kryje zo stredom súhlasného magnetického rotorového pólu Jl, J2, SI, S2. Magnetickú polaritu statorových pólov A, B, C, silové pôsobenie statorových pólov A, B, C na rotorové póly Jl, J2, SI, S2 a logickú kombináciu v jednotlivých šiestich polohách rotora 1 uvádza nasledujúca prehľadná tabuľka k obr. č. 9. V tabuľke logická jednotka „I“ zodpovedá južnému pólu - J statora 2 a logická nula „0“ zodpovedá severnému pólu - S statora 2. Skratka „OD“ znamená odpudzovanie magnetických pólov a skratka „PR“ priťahovanie sa magnetických pólov.

Poloha	Póly statora	Pól statora SI	Pól statora Jl	Pól rotora S2	Pól rotora J2	Logická kombinácia
1	xA	S	OD			PR	0
B	S		PR	OD		0
C	J			PR	OD	I
2	A	s	OD			PR	0
xB	J	PR	OD			I
C	J			PR	OD	I
3	A	s	OD			PR	0
B	J	PR	OD			I
xC	s		PR	OD	OD	0
4	xA	J	OD		PR	OD	I
B	J	PR	OD			I
C	s		PR	OD		0
5	A	J			PR	OD	I
xB	s	OD	OD		PR	0
C	s		PR	OD
6	A	J			PR	OD	I
B	s	OD			PR	0
xC	J	PR	OD			I
7—>1	xA	s		PR	OD		0
B	s	OD			PR	0
C	J	PR	OD			I

Z tabuľky i z obr. 9 je zrejmé, že v konštrukcii elektromotora podľa tohto riešenia neexistuje žiadna tzv. mŕtva poloha. Motor je výkonný a umožňuje matematicky presne dodržať počet otáčok regulovateľných v plnom rozsahu, a to aj pri reverzii. Má výhodný pomer výkonu k hmotnosti a rozmerom.

Konštrukčné riešenie elektromotora môže byť realizované s rôznymi počtami rotorových pólov a nepárnymi počtami statorových pólov podľa technických požiadaviek, ktoré má elektromotor plniť.

Priemyselná využiteľnosť

Elektrické rotačné zariadenie možno použiť, okrem uvedených dvoch príkladov, i v iných riešeniach. Ponúka sa i využitie čiastkových prvkov a kombinácií tohto riešenia na iné nové konštrukčné usporiadanie, či už v rámci v súčasnosti známeho stavu techniky, alebo inými vhodnými konštrukciami. Toto riešenie je možné výhodne využiť všade tam, kde vzniká potreba presne dodržať počet otáčok regulovateľných v plnom obsahu, a to aj pri reverzii. Ďalej je použitie výhodné všade tam, kde je žiaduce vylúčenie trecích kontaktov zberného zariadenia na prívod elektrického prúdu do elektromagnetov rotorov elektrických rotačných zariadení. V neposlednom rade konštrukcia elektrického rotačného zariadenia umožňuje rozbeh a zastavenie elektromotora v rovnakej polohe.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektrické rotačné zariadenie na premenu mechanickej energie na elektrickú a naopak sa všeobecne skladá z dvojčlenného statora (2), ktorého vonkajší člen (3) je tvorený plášťom (27) s krytom (28) a súborom elektrických vinutí (23) použiteľných pre alternátor s vývodmi (231) vyvedenými k usmerňovaču alebo súborom elektrických vinutí (24, 25, 26) použiteľných pre elektromotor, ktoré sú symetricky umiestnené na vnútornom obvode plášťa (27) statora (2), a ktoré majú i oddelené elektrické vývody (241), (251), (261), pričom vnútorný člen (4) dvojčlenného statora (2) je tvorený valcom s vinutím a ďalej, dutého valcového rotora (1), ktorý je tvorený dvoma sústavami segmentov (11 a 12) z magnetického materiálu a je otočné usporiadaný vnútri vonkajšieho člena (3) a súosovo proti nemu, pričom vnútorný člen (4) statora (2) jc usporiadaný v dutine valca rotora (1), vyznačujúce sa tým, že plášť rotora (1) tvorí valec pozostávajúci z prvej sústavy segmentov (11) a druhej sústavy segmentov (12) umiestnených na plášti valca, pričom obidve sústavy sú zhotovené z rovnakého počtu segmentov z magnetického materiálu, ktoré sú vzájomne striedavo symetricky do seba zložené a sú medzi sebou spojené prostredníctvom magneticky izolačnej vrstvy (13), zhotovenej z nemagnetického materiálu, pričom prvá sústava segmentov (11) je ďalej pevne spojená s podstavou valca rotora (1) zhotovenej z magnetického materiálu, v ktorej osi rotácie je upevnený hriadeľ (14), zatiaľ čo druhú podstavu valca rotora (1) tvorí príruba (121) zhotovená z magnetického materiálu, pričom plášť (27) statora (2) je vybavený najmenej jedným krytom (28).
2. 2. Elektrické rotačné zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že v režime alternátora alebo motora je vnútorný člen (4) s vinutím tvorený elektromagnetom (21), ktorého elektrické prívody (211) sú vedené cez dutý hriadeľ (22).
3. 3. Elektrické rotačné zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že v režime elektromotora je na riadenie magnetickej polarity magnetických statorových pólov (A, B a C) stator (2) vybavený magnetickým riadiacim systémom (15).
4. 4. Elektrické rotačné zariadenie podľa nároku 1 a 3, vyznačujúce sa tým, že v režime elektromotora je na prepínanie elektrickej polarity príslušného elektrického vinutia (24, 25 a 26) elektromotora ku každému z trojice samostatných elektrických vinutí (24, 25 a 26) elektromotora pripojený výkonový elektronický prepínač (30) pripojený k príslušnému bezkontaktnému spínaču (292,293 a 294).
5. 5. Elektrické rotačné zariadenie podľa nárokov 1 a 3, vyznačujúce sa tým, že magnetický riadiaci systém (15) je vytvorený z trojice bezkontaktných spínačov (292, 293 a 294) usporiadaných symetricky na vnútornej strane prstencového držiaka (291) upevneného v ľavom kryte (29) elektromotora, ďalej z dvojice párov magnetických krídelkových lamiel (142) upevnených na nemagnetickom puzdre (141) z protiľahlých strán kolmo proti nemagnetickému puzdru (141), ktoré je nasunuté na hriadeľ (14), pričom bezkontaktné spínače (292, 293 a 294) voľne zapadajú do medzery medzi dve smerovo zhodne orientované a magneticky opačne pólované magnetické krídelkové lamely (142).